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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Regelung des Phasenwinkels
einer von einem mehrphasigen Wechselstrommotor angetriebenen Welle durch Steuerung
der Phasenlage der dem Motor über steuerbare elektrische Ventile zugeführten mehrphasigen
Spannung unter Verwendung einer Steuereinrichtung, die die elektrischen Ventile
nacheinander durch periodische Impulse eines Oszillators unmittelbar mittels eines
zyklisch arbeitenden Impulszählers steuert, den die periodischen Impulse schrittweise
bis zur Endzahl eines jeden Zählzyklus schalten, Zur Erzeugung mehrphasiger Wechselströme
ist es bekannt (vgl. Seite 55 bis 59 der Zeitschrift »Electronics« vom B. 7. 1960),
einen Ringzähler durch einen Impulsgenerator zu speisen und die Anordnung derart
zu treffen, daß der Ringzähler die dreiphasigen Steuersignale für steuerbare Halbleitergleichrichter
kontrolliert. Die Halbleitergleichrichter schalten die einzelnen Phasen der Motorspannung,
die über einen dreiphasigen Transformator dem Motor zugeführt sind.
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Es ist auch bekannt (vgl. die USA.-Patentschrift 2 953 735), einen
Oszillator einer logische Schaltelemente enthaltenden Steuervorrichtung vorzuschalten,
deren Ausgangssignale zur Steuerung der drei Phasen der Motorspannung benutzt werden.
Dabei werden in der Steuervorrichtung sechs Steuerspannungen, die jeweils paarweise
um 120° gegeneinander und untereinander um 180° phasenverschoben sind, in steuerbare
Gleichrichter enthaltenden Gegentaktschaltungen derart kombiniert, daß an deren
Ausgängen drei um 120° phasenverschobene Motorspannungen zur Verfügung stehen.
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Ferner ist eine Speise- und Steueranlage für einen Drehstrommotor
bekannt (vgl. die deutsche Auslegeschrift N 9089 VIIIb/21c), bei der die dreiphasigen
Spannungen dem Motor über gittergesteuerte Dampfentladungsstrecken zugeführt und
die Dampfentladungsstrecken durch periodische Impulse eines Oszillators einstellbarer
Frequenz unmittelbar mittels eines Impulszählers phasenverschoben gesteuert sind.
Zur Veränderung der Frequenzen der Motorspannungen zweier Synchronmotoren, deren
Drehzahlen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen sollen, ist es dabei
bekannt, die periodischen Impulse eines mit fester Frequenz arbeitenden Oszillators
über je einen Impulszähler, deren Zählzyklen entsprechend dem bestimmten Drehzahlverhältnis
unterschiedlich eingestellt sind, den Gittern der Dampfentladungsstrecken zuzuführen.
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Diese bekannten Einrichtungen, insbesondere die letztere, gestatten
es zwar, die Frequenz der Motorspannung eines oder mehrerer mehrphasiger Wechselstrommotoren
und damit die Motordrehzahl zu regeln, z. B. auch unter Verwendung eines mit dem
Motor gekuppelten Tachometergenerators und eines in Abhängigkeit von dessen Spannung
die Frequenz des Oszillators verändernden Stellgliedes. Die Einrichtungen weisen
jedoch den Mangel auf, daß die Phasenlagen der Motorspannungen mehrerer Antriebsmotoren
und dadurch auch die Phasenwinkel der von den Motoren angetriebenen Wellen wegen
der unterschiedlichen Frequenzen der Motorspannungen sich kontinuierlich verändern
und nicht auf einen bestimmten Betrag geregelt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Phasenwinkel einer oder
mehrerer von einem oder mehreren Wechselstrommotoren angetriebener Wellen -unter
Verwendung von Einrichtungen dieser Art ohne Verwendung mechanischer Stellglieder
zu regeln.
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Die Erfindung besteht bei einer Einrichtung der eingangs bezeichneten
Art darin, daß eine logische Schaltelemente enthaltende, in Abhängigkeit von der
Regelabweichung gesteuerte, die Zählfrequenz des Impulszählers selbsttätig und periodisch
verändernde Steuervorrichtung vorgesehen ist.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung einer solchen Einrichtung besteht darin,
daß .die Steuervorrichtung über die logischen .Schaltelemente die Endzahl der Zählzyklen
des Impulszählers periodisch verstellt.
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Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß die Steuervorrichtung
über die logischen Schaltelemente die Endzahl der Zählzyklen eines zwischen dem
Oszillator und dem die elektrischen Ventile unmittelbar steuernden, mit konstanter
Endzahl eines jeden Zählzyklus arbeitenden Impulszähler angeordneten, als Frequenzteilerstufe
wirkenden weiteren Impulszählers periodisch verstellt.
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In diesen Einrichtungen wird die Steuerung der den Motor speisenden
elektrischen Ventile bei Abweichungen des Ist Phasenwinkels von seinem Sollwert
selbsttätig fortlaufend derart beeinflußt, daß die Perioden der Motorspannung vorübergehend
und synchron verlängert bzw. verkürzt werden, wobei sich beim Verschwinden der Regelabweichung
wieder die ursprüngliche, durch die Frequenz des Oszillators und .das Teilverhältnis
eines zusätzlich anwendbaren einstellbaren Frequenzteilers vorgegebene Motordrehzahl
einstellt.
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An Hand der Zeichnung werden nun Ausführungsbeispiele erläutert.
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F i g. 1 zeigt das Blockdiagramm einer Einrichtung zur Regelung des
Phasenwinkels einer von einem dreiphasig gespeisten Synchronmotor angetriebenen
Welle; F i g. 2 zeigt ein Impulsdiagramm, welches zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Einrichtung nach F i g. 1 dient; F i g. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel.
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In der F i g. 1 bezeichnet 1 einen Hochfrequenz-Oszillator, der periodische
Impulse mit einer konstanten Frequenz fo abgibt. Ihm ist ein Frequenzteiler 2 in
Gestalt einer binären Frequenzteilerstufe nachgeschaltet, deren Teilverhältnis zwecks
Änderung der Motordrehzahl einstellbar ist. Sie liefert an ihrem Ausgang eine Nadelimpulsfolge
mit einer Frequenz f, die einem Impulszähler 3 zugeführt ist. Der Zähler 3 besteht
aus einer Kettenschaltung von sechs bistabilen Multivibratoren, so daß seine maximale
Zählkapazität k = 26 = 64 beträgt. Zur Erzeugung der dreiphasigen Spannung für einen
Drehstrom-Synchronmotor 22 ist die Zählkapazität des Zählers 3 auf den Wert 1' =
60 einstellbar.
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Mit den zwölf Ausgängen der sechs bistabilen Multivibratoren des Zählers
3 ist eine Diodenmatrix 4
verbunden, die so ausgebildet ist, daß an
einem ihrer Ausgänge, dem Ausgang 5, immer dann ein Impuls auftritt, wenn der Zähler
innerhalb seines Zählzyklus den Impuls »Eins« zählt. An einem anderen Ausgang 6
entsteht ein Impuls beim Auftreten des Zählimpulses »Elf«. Läuft der Impuls »Einundzwanzig«
in den Zähler 3 ein, so wird auf den Ausgang 7 ein Impuls geschaltet. Schließlich
erzeugt der Zählimpuls »Einunddreißig« am Ausgang 9, der Zählimpuls »Einundfünfzig«
am Ausgang 10 und der Zählimpuls
»Eins« wiederum am Ausgang
5 einen Impuls. Der in den Zähler 3 einlaufende Zählimpuls »Neunundfünfzig« führt
als Endzahl des Zählzyklus im Normalfall zwischen den beiden letzterwähnten Impulsen
über geeignete Schaltvorrichtungen eine Rückstellung des Zählers in seine Nullstellung
herbei.
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Die Ausgänge 5 und 8 der Diodenmatrix 4 sind mit den beiden Eingängen
eines bistabilen Multivibrators 16 a,16 b verbunden. Dieser wird von jedem
ersten innerhalb des Zählzyklus in den Zähler 3 einlaufenden Zählimpuls der Steuerimpulsfolge
und von jedem 31. Impuls dieser Folge wechselweise von einer seiner beiden Schaltstellungen
in die andere gekippt.
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Die Ausgänge 6 und 9 der Diodenmatrix 4 sind mit den beiden Eingängen
eines bistabilen Multivibrators 17 a,17 b verbunden, während die Ausgänge
10 und 7 der Diodenmatrix 4 mit den beiden Eingängen eines
bistabilen Multivibrators 18a, 18b in analoger Weise in Verbindung stehen.
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An den Ausgängen dieser drei Multivibratoren stehen deshalb sechs
rechteckförmig verlaufende Spannungen zur Verfügung, die paarweise gegeneinander
um 180° phasenverschoben sind und bei denen jede Spannung eines Paares gegen die
entsprechende Spannung der anderen Paare um 120 bzw. 240° phasenverschoben ist.
Die Periode der Spannungen entspricht, der Durchlaufzeit des Zählers entsprechend,
to = f . Die sechs Spannungen werden im Gegentakt arbeitenden elektrischen
Ventilen 19, 20 und 21 als Steuerimpulse zugeführt. Bei den im Gegentakt
arbeitenden elektrischen Ventilen kann es sich um Gegentaktverstärker od. dgl. handeln.
An diese elektrischen Ventile ist der Synchronmotor 22 angeschlossen.
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Mit 42 ist eine als Sollwertgeber für den Phasenwinkel der
vom Motor angetriebenen Welle 23 dienende Impulsquelle bezeichnet, die in einer
Leitung 43 eine Nadelimpulsfolge erzeugt. Im Augenblick des Auftretens eines Impulses
in dieser Leitung soll die Welle 23 jeweils eine durch diesen Impuls vorgegebene
Winkellage aufweisen.
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Mit der Welle 23 ist eine impulsgebende Vorrichtung 24 gekuppelt,
die lichtelektrisch, induktiv oder kapazitiv jeweils in einer bestimmten Stellung
der sich drehenden Welle 23 Impulse erzeugt. Diese sind über eine Impulsformerstufe
25 als Nadelimpulse einer Leitung 26 zugeführt. Die Impulse in der Leitung 26 geben
also den Istwert des zu regelnden Phasenwinkels wieder.
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Der Zeitabstand z zwischen den Impulsen in den Leitungen 43 und 26
ist deshalb ein Maß für die Regelabweichung des Phasenwinkels der Welle 23. Der
Zeitabstand v wird mittels eines Binärzählers 40 gemessen. Dazu werden von einem
Oszillator 41 erzeugte Meßimpulse über ein Tor 45 und eine Leitung 44 dem Binärzähler
40 zugeführt. Das Tor 45 wird von einem bistabilen Multivibrator 43', an dessen
Eingänge die die Ist- und Sollwertimpulse führenden Leitungen 26 und 43 angeschlossen
sind, fortlaufend und periodisch gesteuert. Ein Istwertimpuls in der Leitung
26 schaltet den Multivibrator 43' in eine Stellung, in der auf die
Leitung 43" eine Spannung geschaltet ist, die das Tor 45 öffnet. Ein Sollwertimpuls
in der Leitung 43 kippt den Multivibrator 43'
in seine andere stabile
Lage, wodurch das Tor 45 geschlossen wird. Das Tor 45 ist deshalb nur während des
Zeitabstandes z zwischen den Ist- und Sollwertimpulsen in den Leitungen 26 und 43
geöffnet. Gleichzeitig mit der Öffnung des Tores 45 wird der Binärzähler
40 jeweils in seine Zählbeginnstellung zurückgestellt. Nach Schließung des
Tores 45 befindet sich der Binärzähler 40 daher jeweils in einer Zählstellung, die
dem Zeitabstand z zwischen dem Istwertimpuls in der Leitung 26 und dem Sollwertimpuls
in der Leitung 43 entspricht (vgl. hierzu F i g. 2).
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Dem Binärzähler 40 ist eine Diodenmatrix 46
nachgeschaltet,
die derart ausgebildet ist, daß sie bei entsprechendem Zählerabstand an einem Ausgang
49 eine Spannung erzeugt; dieser Zählerstand wird dann erreicht, wenn der Zeitabstand
z seinen Sollwert z. und daher der Phasenwinkel der Welle 23 seinen Sollwert aufweist.
Weicht der Zeitabstand z von z. ab, ist er z. B. kleiner als zo, so schaltet die
Diodenmatrix 46, je nach der Größe der Differenz dt = to-r, an die Leitung
47 oder 48 eine Spannung. Ist der Zeitabstand a größer als der Sollwert
% so wird in Abhängigkeit von der Differenz d t an die Leitung
50
oder 51 der Diodenmatrix 46 eine Spannung geschaltet. Die
Leitungen 47 bis 51 sind jeweils mit »Und«-Schaltungen 30 bis
34 verbunden.
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Die oben bereits genannte Diodenmatrix 4 weist außer den Ausgängen
5 bis 10 noch Ausgänge 11
bis 15 auf. An diesen wird jeweils
dann ein Impuls erzeugt, wenn der Impulszähler 3 seine Zählschritte »Siebenundfünfzig«,
»Achtundfünfzig«, »Neunundfünfzig«, »Sechzig« und »Einundsechzig« durchläuft. Die
Ausgänge 11 bis 15 sind mit je einem zweiten Eingang der »Und«-Schaltungen
30 bis 34 verbunden.
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Auf Grund dieser Ausbildung wird abhängig vom Stand des Binärzählers
40 entweder an dem Ausgang der »Und«-Schaltung 30 oder an dem Ausgang einer
der übrigen »Und«-Schaltungen ein Impuls erzeugt, der seinerseits mittels einer
logischen »Oder«-Schaltung 60 über eine Rückstelleitung 62 einen Impuls abgibt,
der den Impulszähler 3 auf den Beginn seines Zählzyklus, in seine Nullstellung,
zurückstellt.
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Die beschriebene Anordnung erlaubt es, selbsttätig und periodisch
durch Betätigung der »Und«-Schaltungen die Zählkapazität des Impulszählers 3 entweder
um einen oder aber um zwei Zählschritte gegenüber dem Wert k' = 60 zu verkürzen
bzw. zu verlängern, was einer synchronen Phasenverschiebung der dreiphasigen Motorspannung
um jeweils 1/oo oder °-/oo ihrer Periode in positiver oder negativer Richtung entspricht.
Bei entsprechender Stellung des Impulszählers 3 wird deshalb entweder eine Phasendrehung
der Motorspannung im positiven oder negativen Sinne um 6 oder 12° durchgeführt.
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Zur noch feineren Verstellung des Phasenwinkels ist es möglich, den
Impulszähler 3 derart auszubilden, daß er bei eingeregeltem Phasenwinkel eine Zählkapazität
von k" = 120 oder k ` = 240 aufweist. Die Rückstellung
des Zählers 3 bei Zählimpuls 119 oder 121 bzw. 239 oder
241 bewirkt dann je Periode des Zählerdurchlaufs eine Drehung der Phase der
Motorspannung um
nach vorwärts oder rückwärts.
In F i g. 3 bezeichnet 73 einen Impulszähler
mit einer konstanten Zählkapazität von k = 60, der als unmittelbare Steuervorrichtung
für die steuerbaren elektrischen Ventile 19 bis 21 dient. Dem Zähler 73 ist, analog
wie dem Impulszähler3 im Ausführungsbeispiel der F i g. 1, eine Diodenmatrix 4 nachgeordnet,
deren sechs Ausgänge mit den Eingängen der bistabilen Multivibratoren 16
a, 16 b, 17 a, 17 b und 18 a,18 b verbunden sind. Diesen Multivibratoren
sind die im Gegentakt arbeitenden elektrischen Ventile 19, 20 und 21 sowie der Synchronmotor
22 machgeschaltet.
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Mit 78 ist die den Zähler 40 und die Diodenmatrix 46 umfassende Einrichtung
der F i g. 1 bezeichnet. Ihr werden ebenfalls - wie beschrieben - die Ist-und Sollwertimpulse
über die Leitungen 26 und 43 zugeführt, so daß je nach Regelabweichung des Phasenwinkels
der vom Motor 22 angetriebenen Welle 23 auf eine der Leitungen 47 bis 51 eine Spannung
geschaltet wird. Stimmt die Lage der Istwertimpulse in der Leitung 26 mit der Lage
der Sollwertimpulse in der Leitung 43 überein oder weisen sie einen Abstand auf,
der dem eingeregelten Zustand entspricht, führt die Leitung 49 Spannung.
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Mit 1 ist wieder der Hochfrequenz-Oszillator für die konstante Frequenz
f. bezeichnet, der einen Impulszähler 71, ebenfalls in Gestalt eines Binärzählers,
dessen Grundzählkapazität z. B. k = 100 beträgt, speist. Dem Zähler 71 ist eine
Diodenmatrix 79 nachgeschaltet. Sie erzeugt in ihren Ausgangsleitungen 80, 82, 83
und 84 Schaltimpulse beim Einlaufen des 97., 99., 100. und 103. Zählimpulses in
den Zähler 71. Die Ausgänge der Diodenmatrix 79 sind ebenso wie die Ausgänge der
Einrichtung 78 mit logischen »Und«-Schaltungen 85 bis 89 verbunden, die beim gleichzeitigen
Auftreten zweier Spannungen an ihren Eingängen über eine »Oder«-Schaltung 60 auf
die Leitung 62 einen Rückstellimpuls für den Zähler 71 erzeugen.
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Der letzten Stufe des Impulszählers 71, der als Frequenzteilerstufe
mit einer Ausgangsfrequenz fi wirkt, ist als binäre Frequenzteilerstufe der bereits
in F i g. 1 vorhandene Frequenzteiler 2 nachgeschaltet, dessen Teilverhältnis zwecks
Änderung der Motordrehzahl einstellbar ist. Der Frequenzteiler 2 speist den Impulszähler
73, welcher als Steuerimpulszähier über die Diodenmatrix 4 die elektrischen Ventile
19, 20 und 21 und damit die Spannung des Synchronmotors 22 unmittelbar steuert,
mit Impulsen einer Frequenz f.. Die Anordnung arbeitet analog der Anordnung nach
F i g.1, wobei der als Frequenzteiler wirkende Impulszähler 71 bei Änderung seiner
Zählkapazität z. B. von k = 100 auf k = 99 oder 101 eine Phasenverschiebung
der Motorspannung um ± 3,6° bewirkt. Betrüge die Zählkapazität des Zählers 71 z.
B. 360 Impulse, so würde die Veränderung seiner Zählkapazität um einen ZähIschritt
eine Phasenänderung der Motorspannung um ± 11 zur Folge haben.
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Diese Einrichtung weist gegenüber der Einrichtung nach F i g. 1 den
Vorzug auf, daß sie in zwei voneinander getrennten Teilen aufgebaut werden kann
und daß ein Eingriff in die die Motorspannung erzeugende Vorrichtung selbst nicht
erforderlich ist.